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電感設計

作者: 時間:2008-03-25 來源:網(wǎng)絡 收藏
摘要:介紹了電感的設計過程和方法,并列舉了一個大功率電感的設計方法,通過理論和實際的結(jié)合完成了設計。
關(guān)鍵詞:電感;設計;方式


0 引言
磁性元件與其它電氣元件不同,使用者很難采購到符合自己要求的電感。相反,具體設計一個磁性元件可以綜合考慮成本、體積、重量和制造的困難程度,可以獲得一個較滿意的結(jié)果。設計一個電感首先要選擇磁芯材料和形狀,然后確定磁芯體積大小,然后再計算線圈的匝數(shù)和線圈截面積,接著再估算氣隙長度,最后根據(jù)實際情況調(diào)整設計。


1 磁性材料的選擇
在選用磁性材料時,考慮的因素是工作開關(guān)頻率、磁通密度、磁導率、損耗大小、工作環(huán)境及材料的價格。如果開關(guān)頻率較低,可以考慮選擇硅鋼帶和鐵鎳合金。硅鋼帶具有高的飽和磁通密度,而且價格低廉,是低頻場合運用最為廣泛的磁性材料,它的磁芯損耗取決于帶的厚度和硅的含量,硅含量越高,電阻率越大,則損耗越小;鐵鎳合金具有極高的磁導率,極低的矯頑磁力,但是其電阻率比較低,只能用在低頻場合,同時價格也比較高,通常用在工作環(huán)境溫度高,體積要求嚴格的軍工產(chǎn)品中。如果開關(guān)頻率較高,可以考慮使用鐵氧體和非晶態(tài)合金。鐵氧體最高頻率可以達到1 MHz,而且電阻率高,高頻損耗小,但是其飽和磁感應比較低,而且受溫度影響大,在常溫(25℃)的0.42T到100℃時的0.34T。鐵氧體目前有多種材料和磁芯規(guī)格,而且價格比其它材料低,是目前開關(guān)電源中應用最為廣泛的材料。非晶態(tài)合金適用于幾十到幾百kHz的工作頻率,比鐵氧體有更高的飽和磁感應和相對較高的損耗和溫度穩(wěn)定性,但是價格比較昂貴,而且磁芯的規(guī)格也不完善,適用于大功率或者耐受高溫和沖擊的軍用場合。


2 磁芯形狀
目前磁芯有罐型、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU、和UI各種型號,以及新發(fā)展的平面磁芯,如EFD、EPC、LP型等磁芯。
罐型和PQ型磁芯有較小的窗口面積,減小了EMI傳播,用于EMC要求嚴格的場合。但是其窗口寬度不是很大,只能用于125 W以下的低功率場合。大功率應用散熱困難。因為引出線缺口小,大電流出線困難,也不適用于高壓場合,因為出線的安全絕緣處理困難。
EE、EC、ETD、LP磁芯都是E型磁芯,有較大的窗口面積,窗口寬而且高度低,漏磁及線圈層數(shù)少,高頻交流電阻小。開放式的窗口沒有出線問題,線圈與外界空氣接觸面大,有利于空氣流通,散熱方便,可以處理大功率,但電磁干擾大。
EC、ETD磁芯的中柱圓形截面與EE型相同矩形截面積時,圓形截面每匝線罔比矩形短大約11%,即電阻少11%,線圈的損耗和溫升也相應降低,但是沒有EE型磁芯的尺寸齊全,不能像EE型磁芯一樣合并使用。
RM和PM磁芯比罐型有更大的出線窗口和好的散熱條件,所以,可以傳送更大的功率。RM磁芯有兩種結(jié)構(gòu),有中心孔和沒中心孔。在有些諧振電路中要求準確的調(diào)諧,使用帶有中心孔的磁芯,在中心孔插入磁棒調(diào)節(jié)電感量,調(diào)節(jié)范圍可以到達30%。但在功率磁芯中不采用,因為磁棒損耗大。
PQ型具有最佳的體積與輻射表面和線圈窗口面積比。因磁芯損耗正比于磁芯體積,而散熱能力正比于輻射表面,該形狀磁芯在給定輸出功率下面有最小的溫升,因此,在給定輸出功率下體積最小。
LP、EFD、EPC型磁芯主要為平面變壓器設計的。中柱長,漏感最小。但是,囚為體積小,磁通密度和磁場變化處處都是重要的區(qū)域,計算相當困難。
UU型和UI型主要用在高壓和大功率的水平,很少用在l kW以下。他們比EE型有更大的窗口,可以用更粗的導線和更多的匝數(shù)。但磁路長度大,比EE型有更大的漏感。
對于環(huán)型磁芯,線圈均勻分布在整個磁芯上,雜散磁通和EMI擴散都很小,但是大功率繞線困難。

3 磁芯尺寸
在磁芯材料和磁芯形狀確定了以后,下一步工作就是估算磁芯尺寸。當功率比較小時,比較通用的方法是面積乘積法,它是磁芯截面積和線圈有效窗口面積的乘積。
3.1 損耗不嚴重
當損耗不嚴重,經(jīng)驗公式如式(1)所列。


式中:AW為窗口面積;
Ae為磁芯截面積;
IF1為滿載電流有效值;
Ip為最大峰值電流;
Bmax為磁芯的飽和磁感應強度。
3.2 損耗嚴重
損耗嚴重時,經(jīng)驗公式如式(2)所列。


式中:△Rmax為最大磁通密度擺幅;
K1及K2系數(shù)的取值如表l所列。

這種方法計算出來的尺寸不是很準確,但是可以減少迭代的次數(shù)。在大功率條件下,上面公式不建議采用,應根據(jù)經(jīng)驗選擇磁芯尺寸,然后根據(jù)磁芯尺寸算出匝數(shù)、氣隙等各種參數(shù),最后再校驗設計的合理性。

4 線圈匝數(shù)的計算
由安培環(huán)路定律,可得


式中:Hδ為氣隙磁場強度;
δ為氣隙長度;
Ho為磁芯磁場強度;
Lo為磁芯磁路長度。
由于空氣的磁導率遠低于磁芯的磁導率,所以,式(3)可以近似成為


式(6)就為線圈匝數(shù)估算公式,其中電流取電感的最大峰值電流Ip。


5 氣隙估算
高磁導率磁芯材料只能儲存很少的能量,而電感是一個儲能裝置,為了有效地儲存能量和把能量返回到電路中去,由氣隙儲能的關(guān)系,可得


可知,在磁芯不飽和的情況下,磁導率不能太高,也不能太小,因此,可以在高磁導率的磁芯中串聯(lián)一個非磁氣隙,用來調(diào)整有效磁導率。加了非磁氣隙之后,由于氣隙的磁導率遠遠低于磁芯的磁導率,因此,大部分能量就儲存在氣隙當中,這樣我們就可以根據(jù)能量守恒近似地估算出氣隙的大小,具體公式如式(8)所列。


把L、Ip、μo、Bmax代入式(8)求出V,然后根據(jù)磁芯所開氣隙的截面積就可以近似地算出氣隙大小。

6 計算導體尺寸
6.1 集膚效應
導線通過交變電流時會產(chǎn)生集膚效應,即導線橫截面的電流分布不均勻,內(nèi)部電流密度小,表面電流密度大,使導線的有效截面積減少,其有效截面積的減少可以用穿透深度△來表示,△的意義如下,從表面到電流密度下降到表面電流密度的O.368的厚度為穿透深度△,即認為表面下降深度為△的厚度導體流過導線的全部電流,而在△層以內(nèi)的導體完全不流過電流,△與頻率ω和導線物理性能的關(guān)系為


式中:μo為導線材料的磁導率:
為材料的電導率;

K為材料電導率溫度系數(shù);
T為導線溫度。
所以在選擇繞組的導線線徑時,應使線徑小于兩倍穿透深度。
6.2 電流密度
在大功率條件下,電流密度的選擇一般在2.5~3A/mm2,在自然冷卻條件下,一般選取電流密度在4~6.5A/mm2;在模塊電源中,磁器件有良好的散熱條件,一般電流密度到達8 A/mm2,甚至可以到達10 /mm2。電流密度選擇高,導線的截面積小,相同窗口繞更多的導線,且是導線電阻大,銅損也大。當計算得到的線徑大于穿透深度決定的最大線徑時,可以采用多股導線并繞或者采用銅帶,使厚度小于兩倍穿透深度。


7 設計舉例
本人設計了一個雙降壓式半橋逆變器的濾波電感,逆變器輸出115V/400 Hz和220 V/50 Hz的三相交流電,輸出最大功率為50 kVA,電感電流連續(xù),電感大小為180μH每相兩個電感分別在半個周期里輪流工作,流過電感的滿載電流為122 A,最大電流為250 A,最大開關(guān)頻率25 kHz,具體設計過程如下。
7.1 磁芯材料選擇
由于功率管的最大開關(guān)頻率達到25 kHz,這個頻率對于硅鋼帶來說太高,不適合選擇,而鐵氧體和非晶態(tài)合金都比較適合,但考慮到功率太大,磁芯體積會比較大,而且需要的電感個數(shù)為6個,如果選用非晶態(tài)合金成本太高,所以最終還是選擇鐵氧體LP3,其工作頻率在100 kHz以上,在100℃時的飽和磁感應強度為O.38T,價格相對低廉。
7.2 磁芯形狀
根據(jù)前面介紹的磁芯形狀可知,在大功率條件下,E型和UU型、UT型磁芯都比較適合選擇,為了減小漏感,我們選用了EE型鐵芯。
7.3 磁芯尺寸
由于電感功率很大,如果根據(jù)經(jīng)驗公式,算出的Ap=ll511 cm2,顯然不符合實際,所以不能按照經(jīng)驗公式來指導磁芯尺寸的選擇,只能按照設計經(jīng)驗來選擇磁芯尺寸。我們選擇了由新康達磁芯公司生產(chǎn)的EEl85磁芯,如圖1所示,把兩副拼在一起組成一個磁芯,單個磁芯具體尺寸如表2所示。

7.4 匝數(shù)計算


7.5 氣隙大小計算
由能量守恒,可得


7.6 確定導體尺寸
設銅皮工作時的溫度為80℃,則


所以選擇銅皮厚度小于兩倍穿透深度2O.47=0.94 mm。
選擇電流密度3 A/mm2,122 A滿載電流需要導體截面積40.67mm2,選擇導體厚度為0.5 mm,寬度取90mm。
7.7 驗證
驗證磁芯在電流最大時是否飽和。


可知:電流達到250A時不飽和。
按照上面的設計做出一個電感,得到的感值為366μH,如果要使電感為180μH,實際氣隙δ’=48mm,顯然不合適,所以要在前面設計的基礎上進行調(diào)整,鑒于電感值偏大,由式(5)可知,在氣隙和磁芯大小不變時,感值和匝數(shù)的平方成正比。所以我們保持理論計算出的氣隙不變,減小匝數(shù),就可以減小感值,而且由式(4),減小匝數(shù)磁芯肯定不會飽和,我們測出了匝數(shù)為4l匝時電感大小與氣隙大小的關(guān)系,如表3所列,這樣可以算出調(diào)整后的匝數(shù),即

調(diào)整后(匝數(shù)為29匝)實際測量出氣隙為17mm,感值為180μH。

8 結(jié)語

磁芯元件的設計很復雜,要直接得到唯一的答案是很困難的,因為要涉及到很多因素,設計時應該根據(jù)理論分析和實踐來逐步完善設計,最終得到一個符合工作要求的電感。

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